Design, simulation, and control of a multicopter prototyping platform

Abstract

In dieser Diplomarbeit wird die Entwicklung, Simulation und Regelung eines Multikopters für Testzwecke behandelt. Im Zuge der Arbeit wurde eine Testplattform entwickelt, die auf dem kommerziell erhältlichen Mikrokopter Hexa XL aufbaut. Die Testplattform ist mit einem Rechner ausgestattet, der eine modellbasierte Entwicklung mit Matlab/Simulink unterstützt, und einer Mikrokontrollerschaltung für die Bereitstellung der Messdaten. Die Testplattform verwendet Ultraschallsensoren für die Positionsbestimmung und einen Inertialsensor für die Bestimmung der Orientierung. Für die Simulation und die modellbasierte Regelung wird ein mathematisches Modell erstellt. Basierend auf dem Impulserhaltungssatz werden die dynamischen Bewegungsgleichungen für den Multikopter hergeleitet. Dafür wird der Multikopter als Starrkörper modelliert. Als externe Kräfte, die auf den Starrkörper wirken, werden die Kräfte der Rotoren und Kräfte, die durch aerodynamische und gyroskopische Effekte hervorgerufen werden, berücksichtigt. Des Weiteren wird eine modellbasierte Regelungsstrategie für die Positionsregelung hergeleitet. Da der Multikopter unteraktuiert ist, wird eine hierarchische Reglerstruktur für die Positionsregelung verwendet. Die Regelung ist aufgeteilt in einen unterlagerten Orientierungsregelkreis basierend auf dem Backstepping Prinzip und einen übergeordneten Positionsregler basierend auf einer flachheitsbasierten Steuerung, der das System um eine Solltrajektorie der Position stabilisiert. Des Weiteren werden zwei verschiedene Methoden zur Ermittlung der Systemzustände vorgestellt. Die erste Methode verwendet direkt Zustandsmessungen in Kombination mit Komplementärfilter. Die zweite Methode basiert auf dem Entwurf eines Extended Kalman Filters als vollständigen Zustandsbeobachter.

This thesis deals with the design, simulation, and control of a multicopter prototyping platform. In the scope of the work, a multicopter platform based on the commercial available Mikrokopter Hexa XL is developed. The multicopter platform is equipped with a computing platform that allows model-based development supported by Matlab/Simulink and a microcontroller board for data collection of the sensor signals. The multicopter platform uses ultrasonic sensors to measure its position in space and an inertial measurement unit for determining its attitude. For the simulation and the model-based control design, a mathematical model of the multicopter platform is formulated. Based on Newton's second law, the dynamical equations of the multicopter are derived. As external forces acting on the multicopter the rotor forces, the gravity, and secondary aerodynamic and gyroscopic effects are considered. Further, a model-based control strategy for position control is derived. As the multicopter is an under-actuated mechanical system, a hierarchical control strategy is used for stabilizing the position at a desired reference trajectory. The control concept consists of an inner attitude controller based on a backstepping approach and an outer position control based on a flatness-based exact feedforward linearisation. Further, two different approaches for state estimation are discussed. The first one uses direct measurements in combination with complementary filters. The second one is based on an extended Kalman Filter.